IPC分类号：
A47C27/12 | B33Y70/00 | B33Y80/00 | B33Y50/00 | B33Y10/00 | B33Y30/00 | B33Y50/02
国民经济行业分类号：
C2190 | C2049 | C2043 | C2042
当前申请(专利权)人：
中国美术学院 | 杭州顾家寝具有限公司
原始申请(专利权)人：
中国美术学院 | 杭州顾家寝具有限公司
当前申请(专利权)人地址：
310002 浙江省杭州市上城区南山路218号 (浙江,杭州,上城区)
工商统一社会信用代码：
913301003419362100|123300004700090773
工商登记状态：
存续（在营、开业、在册）|正常登记
工商注册地址：
浙江省杭州江东本级区块前进工业园区三丰路189号5号厂房2层|浙江省杭州市上城区南山路218号
工商成立日期：
2015-05-21|1928-03-26
发明人：
谷丛 | 王菲 | 李健 | 周志杰 | 费苏儿 | 王勇 | 李秋生 | 张雅芝 | 徐越
摘要：
本发明公开了一种适用于人体压力床垫，包括床垫框架、和密度床垫；所述密度床垫设在床垫框架内；所述密度床垫由接触层、隔离层和支撑层组成；所述接触层由柔性织物和填充物组成；所述隔离层为弹性压力传感层；所述支撑层为拓扑晶格状；所述支撑层中拓扑晶格密度不同。利用参数化设计生成晶格状支撑结构，为床垫提供相比于传统弹簧更加精确的支撑力，同时晶格多孔状的特殊结构具有更加良好的透气性与导湿性，记录人体睡眠过程中压力分布的变化，周期性记录睡眠姿势和睡眠质量数据反馈在app，而床垫的舒适层由大豆生物基填充与混纺温感纤维组成，整体材料可降解与回收，同时能够在最适宜入睡温度27℃左右时开始发生变色，将睡眠温度可视化。
技术问题语段：
最初人们并没有意识到床垫底架设计的重要性，仅以获得柔软的支撑为目的，如最初的螺线弹簧型、伸缩织物型、双锥弹簧型，这些底架结构弹性好、透气好，但容易臀部下陷，硬板床可以部分地缓解脊柱侧卧，但不能完全避免硬板床的透气性较差
技术功效语段：
[0034]本发明提供的一种适用于人体压力床垫及其制造方法：通过反向人体数据采集，结合AI智能算法，通过参数化设计，提供自动生成符合中国人身形标准的床垫支撑结构，颠覆了以往传统床垫行业核心支撑技术。
[0035]通过获取目标人群的压力数据，利用参数化设计生成晶格状支撑结构，为床垫提供相比于传统弹簧更加精确的支撑力，同时晶格多孔状的特殊结构具有更加良好的透气性与导湿性，能够赋予床垫生物般的“呼吸能力”，并在床垫内置压力传感垫，记录人体睡眠过程中压力分布的变化，周期性记录睡眠姿势和睡眠质量数据反馈在app，根据用户可能存在的睡姿问题提出改善方案。而床垫的舒适层由大豆生物基填充与混纺温感纤维组成，整体材料可降解与回收，同时能够在最适宜入睡温度27℃左右时开始发生变色，将睡眠温度可视化。
权利要求：
1.一种适用于人体压力床垫，其特征在于，包括床垫框架、和密度床垫；所述密度床垫设在床垫框架内；所述密度床垫由接触层、隔离层和支撑层组成；所述接触层由柔性织物和填充物组成；所述隔离层为弹性压力传感层；所述支撑层为拓扑晶格状；所述支撑层中拓扑晶格密度不同。
2.如权利要求1所述的一种适用于人体压力床垫，其特征在于，所述支撑层采用热塑性材料通过3D打印出密度不同的拓扑晶格状单元拼接而成。
3.如权利要求1所述的一种适用于人体压力床垫，其特征在于，所述接触层的柔性织物随温度改变颜色。
4.如权利要求1所述的一种适用于人体压力床垫，其特征在于，所述弹性压力传感层设有压力阵列传感器。
5.如权利要求2所述的一种适用于人体压力床垫，其特征在于，所述密度不同的拓扑晶格状单元的大小根据人体压力范围确定。
6.一种适用于人体压力床垫的制造方法，其特征在于，通过以下步骤实现：
步骤1、采集人体信息；
步骤2、计算出支撑力；
步骤3、根据人体压力通过参数化程序GH黏菌算法，设置粒子发射点和终点，设置食物模拟生长；
步骤4、通过基于Abaqus分析结果，实用nTopology Element生成拓扑晶格状支撑结构；
步骤5、根据生成的拓扑晶格状支撑结构进行TPU 3D打印；
步骤6、对打印后的拓扑晶格状支撑结构进行封装，铺设压力陈列传感器，包覆柔性织物和填充物。
技术领域：
[0001]本发明涉及一种适用于人体压力的床垫，尤其是涉及一种适用于人体压力床垫及其制造方法。
背景技术：
[0002]床具作为与人最亲近的家具,是人们日常生活中不可或缺的,舒适的床具是获得优质睡眠的首要条件。Buckle等认为任何类型床垫都比对照的不可压缩的木质表面舒适得多。可知,床垫对睡眠质量的影响不容忽视。
[0003]由于床垫舒适性的影响因素较多,传统床垫设计研究需考虑多重因素.例如床垫界面压力分布、不同卧姿下的脊柱形态和床垫材料本身的力学性能等。而传统床垫的明显缺陷即无自主适应能力，这表现在其作为一种产品，只能适用于特定用户而不具备通用性。因此，上述3种因素在影响了当下市场上流行的传统床垫愈加趋于个性化设计的司时，也是未来床垫创新设计开发首先要考虑的因素。结合国内外研究成果,对床垫界面压力分布卧姿脊柱形态和床垫材料的力学性能3种主要影响因素及其对舒适性的影响的相关研究进行归纳与分析，为未来床垫的创新设计提供参考。
[0004]不同的人群有不同的体型特征，人的生理、心理需求也不同，因此,床垫设计应以人为中心，根据人的生理、心理、睡眠等需求特征,结合人一床界面的关系进行设计，即床垫的人性化设计。床垫的人性化设计是追求高质量睡眠的保证。白天工作状态中，人体重量与脊柱椎管的方向相一致，突然的运动和长期不正确的姿势会使脊柱椎间盘压力增大，从而加速椎间盘失水，使其失去“缓冲垫”的作用,并发生病变，调查研究表明80％的人都有过背部疼痛的经历。卧姿是最好的休息方式，此时椎间盘压力较小,椎间盘可重新获得水分而恢复其弹性。但如果床垫支撑不足，则脊柱处于非自然弯曲的状态，此时,椎间盘不仅不能获得恢复，甚至还会加速脊柱病变。因此,床垫支撑,尤其是脊柱支撑特别重要
[0005]当然，人体不是被动地适应床垫支撑，而是有意识、无意识地通过优化睡姿来保证脊柱处于比较理想的状态，使其免受伤害。因此,不合理的人一床界面关系，不仅影响脊柱支撑，还会增加人体姿势调节和动作行为,从而增大体能消耗，影响睡眠质量
[0006]一床界面体压分布对睡眠和卧姿舒适性的影响床垫不宜过软或过硬。床垫过硬时，人一床界面压力分布比较集中，仰卧睡姿压力主要集中于颈部和背部，腰部缺乏有效支撑，从而不利于肌肉放松和脊柱保持自然状态:侧卧睡姿压力主要集中于肩部和颈部，见图2,腰椎侧卧,椎间盘压力增大。另外,由于压力比较集中，局部压力增大，翻身次数等增多，睡眠质量有较大的影响。床垫较软时,由于人一床界面接触面积增大，翻身和姿势调节所需滚动摩擦力也增大，因此，人体能量消耗较大，姿势调节比较困难，不仅不利于接触面湿气的散发，也不利于血液循环、神经传导和肌肉放松。同时,床垫较软时，颈部极易深深陷入床垫之中，从而不利于脊柱自然姿态的保持。
[0007]床垫底架的支撑结构对睡眠质量和卧姿舒适性的影响床垫底架经历了一个由软到硬，又到软的发展历程。最初人们并没有意识到床垫底架设计的重要性，仅以获得柔软的支撑为目的，如最初的螺线弹簧型、伸缩织物型、双锥弹簧型，这些底架结构弹性好、透气好，但容易臀部下陷，硬板床可以部分地缓解脊柱侧卧，但不能完全避免硬板床的透气性较差。如今各式的排骨架结构已广泛应用，如固定间距式、间距可调式和高度可调式等，这种结构弹性、透气性和支撑效果都比较理想，但值得关注地是排骨架类型必须与床垫的类型相匹配。
[0008]由于人体体型不同，与床垫形成的界面关系也不同，身体各部位所获得的支撑和舒适感就不同。另外，不同的人对不同部位舒适感的敏感度不同，对睡眠质量的影响也不同。由此可见，睡眠质量不仅与人-床界面关系有关，还与人体体型特征及人体对舒适性的敏感对有关。因此未来床垫如何符合我国人群对睡眠和床垫特性尤为重要，不仅要满足不同使用者的睡眠生理、行为特征，还要考虑人—床界面的关系。
[0009]基于上述情况，本发明提供一种适用于人体压力床垫及其制造方法，来有效的解决以上问题。
发明内容：
[0010]为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供一种适用于人体压力床垫及其制造方法。
[0011]本发明采用如下的技术方案：
[0012]一种适用于人体压力床垫，包括床垫框架、和密度床垫；所述密度床垫设在床垫框架内；所述密度床垫由接触层、隔离层和支撑层组成；所述接触层由柔性织物和填充物组成；所述隔离层为弹性压力传感层；所述支撑层为拓扑晶格状；所述支撑层中拓扑晶格密度不同。相比于传统床垫弹簧更精确的支撑力，使得床垫能够更加适应中国人身形标准。并通过床垫内置压力传感垫，记录用户睡眠中的压力分布将睡眠与质量数据反馈给app，根据睡姿问题提出改善方案。满足不同使用者的需求多样性，为用户提供精准支撑，达到无感深度睡眠。
[0013]进一步，所述支撑层采用热塑性材料通过3D打印出密度不同的拓扑晶格状单元拼接而成，根据人体压力分布的情况来制作不同长度的拓扑晶格状单元，最后拼接成完整的床垫支撑层。
[0014]进一步，所述接触层的柔性织物随温度改变颜色，接触层面料由大豆生物基与混纺温感纤维组成，可降解回收，能够在最适宜入睡温度27℃时发生变色，记录并呈现可视化睡眠体感温度。
[0015]27℃温感变色纤维是一种在受热时可见吸收光谱发生变化的功能材料，它具有颜色随温度改变而变化的特性，发生颜色变化的温度称为变色温度。热致变色纤维的制备方法，是将热敏变色剂充填到纤维内部，由融熔共混纺丝液制成。
[0016]热敏变色能源储藏纺织品对外部环境温度有独特的知识性反应。在一个温度范围内，可以通过加热或冷却来改变颜色，并且可以自动调节纤维的局部温度以在一定时间或周期内基本上达到恒定的温度。具有热变色和温度调整的双重功能。
[0017]进一步，所述弹性压力传感层设有压力阵列传感器，压力陈列传感器采用柔性织物压力传感器，织物传感材料具良好的透气性、延展性、舒适性和可弯折性，通过高灵敏度、无感交互的生物力学监测技术，可实时显示并记录测试者的人体的压力分布状况，压力阵列传感器可搭配电容检测模块通过USB与上位机PSA软件通信。在SPA软件中，通过新增的COM进行连接，参数选择时型号为8*20，波特率为115200。压力阵列传感器性能指标参数仅供参考，传感器放置场景不同，指标参数会变化。压力数值为真实压力转换值，和传感器单元整面受压时的压力或压强成正比例关系，并非是直接受压单元的压力值或压强值。可以参考，当显示值为100时，该单元的实际压力约20N，压强约4.1kPa约28.6mmHg。
[0018]进一步，所述密度不同的拓扑晶格状单元的大小根据人体压力范围确定，因为个体身高、体重各有差异，根据采集到的人体信息分块来制作符合该人体的规格大小的拓扑晶格状单元。
[0019]一种适用于人体压力床垫的制造方法，通过以下步骤实现：
[0020]步骤1、采集人体信息；分析不同体型特征的人一床界面体压分布的对应关系进行定量化研究为目的，本研究将根据不同床垫材料的支撑性和稳定性。将21款实验床垫(含深睡0号)用床垫软硬度测试装置测出各款床垫的综合刚度。其中，床垫的综合刚度K值越小表示床垫越软，K值越大表示床垫越硬。
[0021]根据不同体型的人一床界面压力分布，实验根据体型特征与床垫综合刚度搭配组合进行实验。随着体型的增加，床垫需要更大的支撑性能来使得人一床界面的最大压力、平均压力达到最低以保证床垫的舒适性，采用特制的下部有足够测量空间的金属床架(实验室研制的床垫下陷量与脊柱形态测试装置)，下部悬挂标尺板，配合标杆穿插到床垫中。脊柱形态下陷量测定。计算空置床垫与人体仰卧在床垫上时各点标杆伸出床架测得的长度的差值，即人体脊柱对应部分的床垫下陷量。根据下陷量能够绘制出被测试者仰卧在床垫上的脊柱形态，即人体仰卧脊柱形态曲线。
[0022]步骤2、计算出支撑力；腰背间隙是脊柱形态中腰部最高点距背部和臀部最低点连线的垂直距离，可以用来反映腰椎弯曲情况。
[0023]吻合度表示两个曲线的整体吻合情况，已知两条曲线：A＝(a1,a2,…an),a1,a2,…an
[0024]为曲线A上的点，a1(x1a,y1a),a2(x2a,y2a)…an(xna,yna)，B＝(b1,b2,…bn),b1,b2…bn
[0025]为曲线A1上的点，b1(x1b,y1b),b2(x2b,y2b)…bn(xnb,ynb)，吻合度W即为两曲线垂直距离的比：
[0026]
[0028]
[0029]若吻合度W的数值越接近1，则说明被测试者在实验床垫上的脊柱形态越接近站立时的脊柱形态。
[0030]步骤3、根据人体压力通过参数化程序GH黏菌算法，设置粒子发射点和终点，设置食物模拟生长；在人体仰卧下压力点位上设置粒子发射器，在底部终点设置食物进行自动生长，根据两点间直线最短原理生成理想路径实现内部晶格的最优路径。
[0031]步骤4、通过基于Abaqus分析结果，实用nTopology Element生成拓扑晶格状支撑结构；根据人-床界面压力分布和脊柱形态的力学性能进行不同部位的晶格疏密实施调整，配合床垫铺垫材料的合理搭配实现理想的使用效果。
[0032]步骤5、根据生成的拓扑晶格状支撑结构进行TPU 3D打印；参数化设计与增材制造：通过大数据采集人群睡眠压力分布，并通过算法程序将压力数据转化为数字模型，进行TPU 3D打印，成为床垫的主要支撑部分，根据压力分布的不同，可分段打印。
[0033]步骤6、对打印后的拓扑晶格状支撑结构进行封装，铺设压力陈列传感器，包覆柔性织物和填充物，将分段打印的拓扑晶格状支撑按人体压力顺序进行拼接，在表面铺设压力陈列传感器再包覆感温变色的柔性织物与床垫框架整合形成最终形态。
[0034]本发明提供的一种适用于人体压力床垫及其制造方法：通过反向人体数据采集，结合AI智能算法，通过参数化设计，提供自动生成符合中国人身形标准的床垫支撑结构，颠覆了以往传统床垫行业核心支撑技术。
[0035]通过获取目标人群的压力数据，利用参数化设计生成晶格状支撑结构，为床垫提供相比于传统弹簧更加精确的支撑力，同时晶格多孔状的特殊结构具有更加良好的透气性与导湿性，能够赋予床垫生物般的“呼吸能力”，并在床垫内置压力传感垫，记录人体睡眠过程中压力分布的变化，周期性记录睡眠姿势和睡眠质量数据反馈在app，根据用户可能存在的睡姿问题提出改善方案。而床垫的舒适层由大豆生物基填充与混纺温感纤维组成，整体材料可降解与回收，同时能够在最适宜入睡温度27℃左右时开始发生变色，将睡眠温度可视化。
具体实施方式：
[0044]下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
[0045]参照附图1-6，一种适用于人体压力床垫及其制造方法，抽取被测试者进行实验，年龄在22～26岁。其中，根据《中国成年人人体尺寸(GB/T 10000-1988》标准对实验人员按照体型特征进行划分:偏瘦体型人群(BMI<18.5gm-)共7名；标准体型人群(BMI＝18.5～23.9kg.m～)，共11名:超重体型人群(BMIZ24kgm-)，共6名。均无肌肉骨骼疾病史，身体健康，状况良好。实验前24h未进行剧烈的体力活动或长时间久坐，无肌肉疲劳现象。被测试者数据统计见表1。
[0046]表1 受试者数据统计
Table 1 The data statistics of subjects
[0047]
[0048]以分析不同体型特征的人一床界面体压分布的对应关系进行定量化研究为目的，本研究将根据不同床垫材料的支撑性和稳定性。将21款实验床垫用床垫软硬度测试装置测出各款床垫的综合刚度。其中，床垫的综合刚度K值越小表示床垫越软，K值越大表示床垫越硬。
[0049]根据不同体型的人一床界面压力分布，实验根据体型特征与床垫综合刚度搭配组合进行实验。随着体型的增加，床垫需要更大的支撑性能来使得人一床界面的最大压力、平均压力达到最低以保证床垫的舒适性。本实验将21款实验床垫按照综合刚度大小分为7组，每组3款，每组中包含一款根据被试人员进行定制的深睡0号床垫，定制深睡0号床垫编号为3、5、7、11、14、17、20。实验床垫分组与实验被试人员安排见表2。
[0050]表2 实验床垫分组与实验被试人员安排
Table 2 Grouping of experimental mattresses and arrangement ofexperimental subjects
[0051]2.3实验方法
[0052]2.3.1站姿脊柱形态测定
[0053]本实验采用人体自然脊柱测量仪来测量人体侧立面脊柱曲线。被测试者穿着统一紧身衣物直立背靠测量仪站立，用标尺绘制侧立面脊柱曲线。从颈部的大椎点开始记录标尺长度数据，一直记录到臀部尾骨结束，利用作图软件将图像呈现出来作为实际人体站姿脊柱形态比例尺寸。站姿脊柱形态测定见图4。
[0054]2.3.2仰卧脊柱形态测定
[0055]采用特制的下部有足够测量空间的金属床架(实验室研制的床垫下陷量与脊柱形态测试装置)，下部悬挂标尺板，配合标杆穿插到床垫中。脊柱形态下陷量测定系统见图4。计算空置床垫与人体仰卧在床垫上时各点标杆伸出床架测得的长度的差值，即人体脊柱对应部分的床垫下陷量。根据下陷量能够绘制出被测试者仰卧在床垫上的脊柱形态，即人体仰卧脊柱形态曲线。
[0056]2.3.3脊柱形态的计算
[0057]腰背间隙是脊柱形态中腰部最高点距背部和臀部最低点连线的垂直距离，可以用来反映腰椎弯曲情况。
[0058]吻合度表示两个曲线的整体吻合情况，已知两条曲线：A＝(a1,a2,…an),a1,a2,…an
[0059]为曲线A上的点，a1(x1a,y1a),a2(x2a,y2a)…an(xna,yna)，B＝(b1,b2,…bn),b1,b2…bn
[0060]为曲线A1上的点，b1(x1b,y1b),b2(x2b,y2b)…bn(xnb,ynb)，吻合度W即为两曲线垂直距离的比：
[0061]
[0063]
[0064]若吻合度W的数值越接近1，则说明被测试者在实验床垫上的脊柱形态越接近站立时的脊柱形态，则该床垫更加健康、舒适，越适合被测试者。
[0065]2.4结果与分析
[0066]2.4.1不同提醒被测试者适宜的床垫类型
[0067]以偏瘦体型被测试者1为例，根据站姿脊柱形态和第1组测试床垫上的卧姿脊柱形态进行对比，偏瘦体型被测试者1的站姿脊柱曲线见图5，偏瘦体型被测试者1的卧姿脊柱曲线见图6。
[0068]被测试者1在编号1～3的实验床垫上的卧姿脊柱曲线各不相同，则说明3组软硬度不同的床垫对被测试者1的卧姿脊柱形态有一定影响。偏瘦体型被测试者1的卧姿脊柱曲线见图6，根据腰部最高点到背部和臀部最低点的垂直距离可以看出：被测试者在床垫上的下陷量是逐渐变小的。由于身体部位质量的不同，床垫软硬度变化对卧姿脊柱形态中臀部的下陷影响最大，背部其次。
[0069]腰椎是全身活动及脊柱承重的主要部位，保证腰椎的正常弯曲也是衡量健康睡姿的标准之一。过硬的床垫会造成肩部和臀部下陷量小，导致腰椎受压向内扣紧，迫使脊椎向上弯曲；过软的床垫容易导致臀部下陷过大，导致腰椎受拉向下扭曲；软硬度适中的床垫能够保证适当的下陷，对腰椎也有很好的支撑性，保持脊柱正常的生理弯曲。腰背间隙计算结果表明：被测试者1站姿时的腰背间隙为1.72，在床垫编号1上的腰背间隙为2.23，明显大于站姿时的腰背间隙。由图6也可以看出由于床垫1较软，被测试者1的臀部和背部下陷严重导致腰椎上凸明显，则床垫1不利于被测试者1的脊柱健康。根据被测试者1在实验床垫1～3上的卧姿脊柱曲线和站姿脊柱曲线进行吻合度计算。综合分析床垫编号1～3中编号3的床垫(深睡0号)是最适合被测试者1的床垫。
[0070]如图7所示，不同身材的人体各个人体部位应力分布，可根据不同的应力数据来相应的对床垫做出调整(图中重量单位/N)。
[0071]对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求